Разработка и исследование двухбарьерных джозефсоновских переходов и их применение в сверхпроводниковой электронике тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Балашов, Дмитрий Вячеславович

• Балашов, Дмитрий Вячеславович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Балашов, Дмитрий Вячеславович

Введение 3 1. Основные соотношения в сверхпроводниковой электронике

1.1. Эффект Джозефсона и КСЭI модель

1.2. Классификация слабых связей

1.3. Основные соотношения микроскопической теории 16 двухбарьерных джозефсоновских переходов

1.4. Параметры джозефсоновских переходов в различных технологиях

2. Технологический цикл изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем и экспериментальная измерительная система

2.1. СИС технология изготовления джозефсоновских туннельных 25 переходов с внешним шунтирующим резистором • •

2.2. СИНИС технология изготовления двухбарьерных джозефсоновских туннельных переходов

2.2.1. Технологические требования

2.2.2. Основные технологические процедуры

2.2.3. Последовательность технологических опрераций 33 при изготовлении цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов

2.3. Установка экспериментального тестирования микрочипов

3. Электрофизические свойства двухбарьерных джозефсоновских СИНИС переходов

3.1. Одиночные СИНИС контакты

3.1.1. Вольт-амперные характеристики

3.1.2. Зависимость плотности критического тока и характерного напряжения контактов от параметров окисления туннельных барьеров

3.1.3. Величина гистерезиса на В АХ переходов

3.1.4. Зависимость плотности критического тока и характерного напряжения переходов от температуры

3.1.5. Зависимость характерного напряжения контактов от параметра микроскопической теории /елг

3.1.6. Влияние внешнего микроволнового излучения

3.1.7. Переход во внешнем магнитном поле

3.2. Цепочки двухбарьерных переходов

3.3. Возможности и ограничения на применение СИНИС переходов 66 в схемах высокой степени интеграции

4. Сверхпроводниковые цифровые БОК схемы на основе СИНИС ' технологического процесса

4.1. Требования к параметрам элементов цифровых БОК схем

4.2. Исследование областей работоспособности цифровых БОК

4.2.1. Преобразование одноквантовой формы представления 75 информации в потенциальную и обратное преобразование

4.2.2. Высокочастотное исследование передачи и обработки 80 одноквантовых импульсов в БОК схемах на основе Т - триггера

4.2.3. 8 - битный сдвиговый регистр

4.2.4. Детектирование редких сбоев в цифровых БОК схемах

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование двухбарьерных джозефсоновских переходов и их применение в сверхпроводниковой электронике»

Интерес, проявляемый к достижениям низкотемпературной сверхпроводниковой электроники, тесно связан с уникальностью физических процессов, лежащих в ее I основе, имеющих квантовомеханическую природу и с рекордными характеристиками криоэлектронных устройств по сравнению с их лучшими полупроводниковыми аналогами. В частности, цифровые сверхпроводниковые устройства демонстрируют сверхвысокое быстродействие (тактовая частота устройств порядка 150 ГГц), обладая при этом сверхмалым значением рассеиваемой мощности (< 1мкВт для элементарной логической ячейки). Последнее обстоятельство делает потенциально возможным достижение сверхвысоких плотностей упаковки элементов в цифровых сверхпроводниковых схемах. Однако, повышение степени интеграции сверхпроводниковых схем требует поиска, разработки и исследования новых технологических решений для миниатюризации всех компонентов схем и определению оптимальных параметров для их использования в актуальных задачах криоэлектроники: метрологии, цифровой схемотехнике для сверхбыстрой обработки информации и т.д. Современная полупроводниковая электроника решает теже задачи, что отражено в прогнозах ведущих специалистов.

В обзоре [SEMATECH 2001] предсказывается, что дальнейшее развитие полупроводниковой технологии позволит расширить к 2013 году полосу рабочих частот цифровых микросхем высокой степени интеграции до 20 ГГц. Диапазон рабочих частот цифровых криоэлектронных устройств на основе прогнозов [Likharev 1997], [SCENET2001] достигнет величины 500 ГГц за тот же период, что наглядно демонстрирует конкурентоспособность сверхпроводниковой электроники на сегодняшний момент времени и в ближайшем будущем. Тем не менее, сильная конкуренция со стороны полупроводниковой технологии в вопросе достижения высоких степеней интеграции микросхем ограничивает применение криоэлектронных цифровых схем в практических задачах, что и отмечено в работе [Van Duzer 1998].

Концепция построения современных цифровых сверхпроводниковых устройств впервые была впервые предложена в работах [Likharev 1985], [Mukhanov 1985] и стала предметом детальных исследований многих исследовательских групп с 1991 года [Likharev 1991].

В цифровых криоэлектронных схемах на основе Быстрой ОдноКвантовой логики (БОК) хранение информации осуществляется с помощью кванта магнитного потока

Фо = й/(2е) в контуре двухконтактного квантового интерферометра постоянного тока. Передача информации от одного логического элемента к другому происходит в форме постоянная Планка, е заряд электрона. Активными элементами цифровых БОК схем являются Джозефсоновские переходы (контакты), обладающие однозначной (т.е. безгистерезисной, Д:«1) вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Для активации цифровых схем на основе БОК логики необходимо задание только постоянного тока питания для каждого перехода в схеме на уровне /в = 0,75 /с. Элементарные схемы БОК логики способны генерировать, хранить и осуществлять передачу сверхкоротких пикосекундных импульсов напряжения. Двоичное представление информации "1" ("0"), следуя работе [ЫкЬагеу 1991], осуществляется по следующей схеме: присутствие информационного импульса между двумя последовательными тактовыми импульсами ' кодируется как логическая "1", а отсутствие как логический "О". Пристальное внимание к сверхпроводниковым цифровым БОК схемам вызвано как возможностью сверхбыстрого переключения активных элементов (типичное время переключения ~ 5 псек) при малой рассеиваемой мощности (< 1 мкВт), так и с практически бездисперсионным распространением одноквантовых импульсов напряжения по линиям передач. Диапазон рабочих температур криоэлектронных цифровых устройств лежит в области температур Г» 4,2 К из-за требования малости уровня тепловых флуктуаций.

Предельное быстродействие элементарных цифровых БОК схем может быть оценено на основе соотношения между частотой следования одноквантовых импульсов и возникаемым средним напряжением на переходе /с = Ус/Фо, где Ус значение характерного напряжения джозефсоновского перехода [ПкЬагеу 1991]. В свою очередь, характерное напряжение зависит от параметров конкретного джозефсоновского перехода Ус = /с-Лк, где /с и Ли величина критического тока и нормальное сопротивление контакта, что наглядно свидетельствует о влиянии параметров активных элементов БОК схем на предельное быстродействие схемы в целом. В цифровых БОК схемах высокой степени интеграции (>1000 активных элементов) предельное быстродействие, как было показано в работе [Кар1ипепко 1995], ограничено следующим соотношением^ах = 0,3-(Рс/Фо).

Развитие современной сверхпроводниковой цифровой схемотехники, как было отмечено в работах [Кирпуапоу 1999], [ВисЫкЯг 2001], [ЭДетеуег 2002], тесно связано импульса напряжения квантованной площади с повышением существующего уровня степени интеграции сверхпроводниковых микрочипов. Одним из наиболее детально разработанных, исследованных и широко применяющихся технологических процессов изготовления джозефсоновских переходов, обладающих безгистерезисной ВАХ, является процесс изготовления , туннельных джозефсоновских переходов на основе тонкопленочного технологического процесса Nb/Al с шунтирующим резистором из нормального материала. Этот технологический процесс демонстрирует хорошую воспроизводимость и малый разброс параметром у туннельных переходов, но ряд принципиальных проблем ограничивает, возможность повышения степени интеграции у цифровых БОК схем на его основе. Наличие внешнего шунтирующего резистора у туннельных контактов не позволяет эффективно повышать степень интеграции микрочипов и, кроме того, ограничивает область рабочих часто БОК схем из-за присутствия паразитных индуктивностей в петле шунтирующего резистора, фиксируя ее на уровне o-R^JL где о> частота следования одноквантовых импульсов, L значение паразитной индуктивности, i?Sh величина шунтирующего резистора. Таким образом, наиболее перспективным технологическим подходом для решения проблемы повышения степени интеграции цифровых БОК схем является разработка и применения новых типов джозефсоновских контактов, обладающих механизмами внутреннего шунтирования, что позволяет эффективно уменьшать размер элементарной ячейки и всего микрочипа в целом. На данный момент времени потенциально привлекательными являются три типа джозефсоновских переходов с точки зрения их возможного применения в цифровой БОК схемотехнике и обладающих однозначными ВАХ без внешнего шунтирования:

- сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник (СНС) [Benzl995], [Burroughs 1999], [Fritzsch 1998, 1999], [Hagedorn 2002], [Lacquaniti 1999], [Moseley 1999], [Popel 2000a, 2000b], [Sachse 1997],

- сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) с высокими значениями плотностей критических токов (jc > 100 kA/смг) [Chen 1998, 1999], [Patel 1999],

- сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС) [Behr 1999], [Brinkman 2001], [Capogna 1996], [Cassel 2001], [Kupriyanov 1988, 1999], [Maezawa 1997a], [Niemeyer 2002], [Schulze 1998a, 1998b], [Sugiyama 1997].

Возможное применение СНС контактов в сверхпроводниковой цифровой схемотехнике ограничено сравнительно низким значением характерного напряжения у них (Fc*20 мкВ,/с ~ Vq/Фо ~ Ю ГГц). Это обстоятельство не позволяет рассматривать их как многообещающих конкурентов современной полупроводниковой микротехнологии. СИС переходы со сверхвысокими значениями плотностей критических токов, обладая высокими значениями характерного напряжения (Рс«1мВ) предъявляют экстремально высокие требования как к субмикронному технологическому процессу изготовления джозефсоновских переходов, так и к используемому технологическому оборудованию. Кроме того, существующий разброс параметров СИС переходов со сверхвысокой плотностью тока существенно ограничивает их применение в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.

Наиболее многообещающими кандидатами для применения в цифровых сверхпроводниковых БОК схемах высокой степени интеграции являются двухбарьерные джозефсоновские СИНИС контакты, обладающие одновременно и механизмом внутреннего шунтирования, - и высоким значением характерного напряжения. Эти качества СИНИС переходов делают их потенциально привлекательными для применения в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.

Другая сфера активного применения двухбарьерных СИНИС контактов лежит в области метрологии, а именно в реализации стандартов напряжения. Стандарты напряжения на основе СИНИС переходов обладают значительно более высокой стабильностью ступеней Шапиро к хаотическому поведению по сравнению со схемами на основе туннельных СИС контактов [Kautz 1995], а также позволяют осуществлять однозначный выбор ступени напряжения (другими словами ступени Шапиро) в широком диапазоне токов питания микросхемы. Эти качества, демонстрируемые двухбарьерными СИНИС переходами, позволяют разрабатывать и реализовывать на их основе не только концепции стандартов напряжения, но также и полностью программируемых стандартов напряжения [Hamilton 1995], [Benz 1995, 1997], [Niemeyer 2001], [Kohlmann 2001].

Анализируя вышесказанное, мы можем заключить, что исследование электрофизических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС структур и разработка технологического процесса для их применения в цифровых БОК схемах является одной из актуальных задач современной сверхпроводниковой электроники. Основной целью представленной работы являлось проведение комплексного исследования двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов и возможности их применения в цифровой криоэлектронике на основе БОК логики. В соответствии с поставленной целью задачами работы являлись:

1. Исследование электрофизических и технологических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов с целью определения возможности их применения в качестве активных элементов криоэлектронной цифровой схемотехники.

2. Разработка технологического процесса воспроизводимого изготовления двухбарьерных джозефсоновских переходов с параметрами, приемлемыми для проектирования и изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем.

3. Изготовление основных типов цифровых БОК схем на основе разработанного СИНИС технологического процесса. Определение основных параметров, характеризующих работоспособность изготовленных БОК схем.

Представленная работа была выполнена в рамках тесного сотрудничества между Институтом радиотехники и электроники Российской Академии Наук (ИРЭ РАН, Москва), Научно-исследовательским институтом Ядерной Физики Московского Государственного университета (НИИЯФ МГУ, Москва) и Департаментом квантовой электроники Федерального Физико-Технического центра (РТВ, Брауншвейг, Германия).

1. Основные соотношения в сверхпроводниковой электронике

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Балашов, Дмитрий Вячеславович

Заключение

Представленная диссертационная работа посвящена разработке технологического процесса изготовления нового типа двухбарьерных джозефсоновских туннельных переходов (СИНИС), обладающих механизмом внутреннего шунтирования. Исследование электрофизических параметров таких переходов и их применение в сверхпроводниковых цифровых БОК схемах было выполнено в представленной работе. В процессе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработана технология изготовления дбухбарьерных джозефсоновских туннельных контактов, обладающих механизмом внутреннего шунтирования и, как следствие, практически безгистерезисной вольт-амперной характеристикой, что делает привлекательным их применение в сверхпроводниковых цифровых устройствах на основе БОК логики. В результате оптимизации технологического процесса были достигнуты следующие параметры СИНИС контактов:у'с « 2,2 кА/см2, Ус ~ 250 мкВ.

2. Проведено комплексное исследование электрофизических параметров двухбарьерных СИНИС переходов. На основе модуляционных зависимостей ступеней Шапиро от амплитуды внешнего микроволнового излучения подтверждена правомерность рассмотрения СИНИС контактов в приближении ЯС81 модели. Было показано, что распределение сверхтока по площади СИНИС контактов достаточно однородно в широком диапазоне значений плотностей критических токов, вплоть до Ус ~ 2,2 кА/см2. Это обстоятельство свидетельствует о хорошем качестве и однородности туннельных барьеров в СИНИС контактах.

3. Продемонстрировано хорошее совпадение температурных зависимостей характерного напряжения Ус (Г, /ея) двухбарьерных контактов с предсказаниями микроскопической теории СИНИС переходов, что дало возможность определения ключевого параметра Область экспериментально полученных значений параметра уея лежит в диапазоне 250-ь80 (/с ~ 70-н400 А/см2 соответственно).

4. На базе разработанной многослойной СИНИС технологии изготовления цифровых БОК схем, экспериментально определены значения индуктивностей сверхпроводниковых микрополосковых линий различной ширины, а также определена глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводящие пленки. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных (на основе Ь-ше1ег и IX программ) значений индуктивностей. Получено хорошее совпадение с расчетом экспериментальных результатов для №> микрополосковых линий, имеющих ширину большую чем 2,5 мкм.

5. Впервые, на основе СИНИС технологического процесса, реализован ряд цифровых БОК схем: преобразователи сигнала из потенциальной формы в одноквантовую (ОС/БРС?) и обратного преобразования (БРС^/ОС); Т-триггер „со счетным входом; 8-разрядный сдвиговый регистр; схемы кольцевого тестирования для определения количества ошибочных переключений (ВЕК). Изготовленные схемы продемонстрировали правильное функционирование с допусками на области работоспособности до ±25%. Величина ВЕЯ не превышала 10"15 при температуре 4,2 К.

В заключение хотелось бы отметить, что применение двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов в различных задачах сверхпроводниковой электроники позволяет рассчитывать на решение многих актуальных задач современной криоэлектроники. Разработка и реализация цифровых БОК схем и микросхем стандартов напряжений на основе двухбарьерных СИНИС переходов позволит создать новый тип полностью программируемых стандартов напряжений на основе интегрированного технологического процесса изготовления, что является одной из актуальных задач современной квантовой метрологии. Применение двухбарьерных СИНИС переходов в сверхпроводниковых цифровых БОК схемах позволяет не только повысить существующий уровень интеграции схем, но также значительно упростить разработку топологий цифровых схем из-за отсутствия внешнего шунтирующего резистора.

Микроскопическая теория двухбарьерных переходов, описанная и использованная в представленной работе, хорошо согласуется с полученными экспериментальными результатами. В случае дальнейшей оптимизации технологического процесса, с целью достижения предельных значений параметров (/с« 10*20 кА/см2, Ус ~ 1 мВ) СИНИС контактов, необходимо учитывать возрастающее влияние андреевских каналов переноса сверхтока на параметры двухбарьерных переходов из-за увеличения прозрачностей туннельных барьеров. Включение этого эффекта в микроскопическую теорию двухбарьерных структур позволит расширить область применимости данной теории. На сегодняшний момент времени, изготовление СИНИС переходов с диапазоном значений плотностей критических токов ]с> 10 кА/см2 лежит вне возможностей существующего технологического процесса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Балашов, Дмитрий Вячеславович, 2003 год

1. A.F. Andreev, „Electron spectrum of the intermediate state of superconductors," Zh. Eksp. Teor. Fiz. 49, pp. 655-660,1965; Sov. Phys. JETP19, pp. 1128-1133,1964.

2. G.E. Babayan, L.V. Filippenko, G.A. Ovsyannikov, O.B. Uvarov, and V.P. Koshelets, „Fabrication and properties of superconducting double-barrier structure," Supercond. Sci. Technol. 4, pp. 476-478,1991.

3. A. Barone, G. Paterno, „Physics and Applications of the Josephson Effect," John Wiley & Sons, ISBN 0-471-01469-9,1982.

4. S.P. Benz, „Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards," Appl. Phys. Lett. 67 (18), pp. 2714-2716, 1995.

5. S.P. Benz, C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, and T.E. Harvey, „Stable 1 volt programmable voltage standard, " Appl. Phys. Lett. 71, pp. 1866-1868, 1997.

6. A. Brinkman, A.A. Golubov, H. Rogalla, and M.Yu. Kupriyanov, „Microscopic model for double-barrier SISTS Josephson junctions," Supercond. Sci. Technol. 12, pp. 893-896, 1995.

7. A. Brinkman and A.A. Golubov, „Coherence effects in double-barrier Josephson junction," Phys. Rev. B 61 (17), pp. 11297-11300,2000.

8. A. Brinkman, D. Cassel, A.A. Golubov, M.Yu. Kupriyanov, M.Siegel, and H. Rogalla, „Double-Barrier Josephson Junctions: Theory and Experiments," IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 (1), pp. 1146-1149,2001.

9. A. Brinkman, A.A. Golubov, H. Rogalla, F.K. Wilhelm and M.Yu. Kupriyanov, „Nonequilibrium charge transport phenomena in double-barrier Josephson junctions," cond-mat/0310420,2003.

10. P. Bunyk, A. Oliva, V.K. Semenov, M. Bhushan, K.K. Likharev, J.E. Lukens, M. Ketchen, and W.H. Mallison, „High-speed single-flu-quantum circuit using planarized niobium-trilayer Josephson junction technology", Appl. Phys. Lett. 66, pp. 646,1995.

11. P. Bunyk: L-Meter: hhttp://pavel.physics.sunysb.edu/~paul/lmeter/lmeter.html

12. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pôpel, and J. Niemeyer, „Development of highly integrated RSFQ circuits on the basis of intrinsically shunted Josephson junctions," Physica C350, pp. 291-301, 2001.

13. C.J. Burroughs, S P. Benz, C.A. Hamilton, T.E. Harvey, J.R. Kinard, T.E. Lipe, and H. Sasaki, „Thermoelectric transfer difference of thermal converters measured with a Josephson source," IEEE Trans. Instrum. Meas. 48 (2), pp. 279-281, 1999.

14. Capogna and M.G. Blamire, „Superconducting proximity effect through high-quality high-conductance tunnel barriers," Phys. Rev. B 53, pp. 5683-5687, 1996.

15. W. Chen, A.V. Rylyakov, Vijay Patel, J.E. Lukens, and K.K. Likharev, „Superconductor digital frequency divider operating up to 750 GHz," Appl. Phys. Lett. 13 (19), pp.2817-2919, 1998.

16. W. Chen, A.V. Rylyakov, Vijay Patel, J.E. Lukens, and K.K. Likharev, „Rapid Single Flux Quantum T-Flip Flop Operating up to 770 GHz," IEEE Trans. Appl Supercond. 9 (2), pp. 3212-3215,1999.

17. K. A. Delin and A.W. Kleinsasser, „Stationary properties of high-critical-temperature proximity effect Josephson junctions," Supercond. Sci. Technol. 9, pp. 227-269, 1996.

18. G. Deutscher and P.G. De Gennes, „Proximity Effect," Superconductivity, R.D. Parks, Ed: Dekker, pp. 1005-1034, 1969.

19. P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, A.G. Kovalenko, V.P. Koshelets, N.N. Iosad, A.A. Golubov, and M.Yu. Kupriyanov, „Niobium Tunnel Junctions with Multi-Layered Electrodes," IEEE Trans, on Appl. Supercond. 9,3970-3973, 1999.

20. R. Dolata and D. Balashov, „Platinum thin film resistors with Cr under- and overlayers for Nb/Al203/Nb technology," Physica C 295, pp. 247-250, 1998.

21. Fritzsch, M. Schubert, G. Wende, and H.-G. Meyer, „Superconductor-normal metal-superconductor Josephson junctions with Ti interlayer,", Appl. Phys. Lett., 73, pp. 1583-1585, September 1998.

22. Fritzsch, H. Eisner, M. Schubert, and H.-G. Meyer, „SNS and SIS Josephson junctions with dimensions down to the sub-micron region prepared by an unified technology," Ext. Abstr. ISEC'99, PI5.10, pp. 256-258, 1999.

23. E.V. Goldobin 1997, the measuring system bases on EXI program originated in 1990 at IREE -by V. Koplunenko and was modified in 1997 by E. Goldobin (named GoldEXI, v. 2.77) to meet the special requirements of the existing measurement set-up at PTB.

24. M. Gurvitch, M.A. Washington, and H.A. Huggins, "High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminium junctions,"^/?/?/. Phys. Lett. 42, p. 472, 1983.

25. D. Hagedorn, R. Dolata, R. Popel, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, „Development of Submicron SNS Ramp-type Josephson Junctions," IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 (1), pp. 1134-1137,2001.

26. D. Hagedorn, R. Dolata, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, „Properties of SNS Josephson junctions with HfTi interlayers," Physica C 372-376, pp. 7-10, 2002.

27. C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, and R.L. Kautz, ,Josephson D/A Converter with Fundamental Accuracy," IEEE Trans. Instrum. Meas. 44, pp. 223-225, 1995.

28. W. H. Henkels, „Accurate measurement of small inductances or penetration depths in superconductors," Appl. Phys. Lett. 32 (12), pp. 829-831, 1978.

29. A.T. Johnson, C.J. Lobb, and M. Tinkham, „Effect of leads and energy gap upon the retrapping current of Josephson junctions," Phys. Rev. Lett. 65, pp. 1263-1267, (1990).

30. B.D. Josephson, „Possible new effects in superconductive tunnelling," Phys. Lett. 1, pp. 251253,1962.

31. J. Kang, A. H. Worsham, and J. X. Przybysz, „4.6 GHz SFQ shift register and pseudorandom dit sequence generator," IEEE Trans. Appl. Supercond. 5, pp. 2827-2830, 1995.

32. V.K. Kaplunenko, M.I. Khabipov, V.P. Koshelets, I.L. Serpuchenko, and A.N. Vystavkin, „Experimental Study of the SFQ Devices, " Extended Abstracts of ISEC-89, Tokyo, Japan, 1989, pp. 411-414, 1989.

33. V.K. Kaplunenko, „Fluxon interaction in an overdamped Josephson transmission line," Appl. Phys. Lett. 66, pp. 3365-3367,1995.

34. R.L. Kautz, „The AC Josephson effect in hysteretic junctions: range and stability of phase lock," J. Appl. Phys. 52, pp. 3528-3541,1981.

35. R.L. Kautz, „Global stability of phase lock near a chaotic crisis in the rf-biased Josephson junction," J. Appl. Phys., 62, pp. 198-211, 1987.

36. R.L. Kautz, „Shapiro steps in large area metallic-barrier Josephson junctions," J. Appl. Phys. 78 (9), pp. 5811-5819, 1995.

37. W. Kessel, F.-Im. Buchholz, M. I. Khabipov, and J. Niemeyer „Development of an RapidSingle Flux Quantum shift register for applications in RF noise power metrology," IEEE Trans. Inst, andMeasur. 46 (2), pp. 477-481, 1997.

38. M.I Khabipov, R. Dolata, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer, „Direct current to 350 GHz operation of rapid-single-flux-quantum T-flipflop circuits in niobium technology," Supercond. Sei. Technol. 9, pp. 822-825, 1996.

39. M. Khabipov, W. Kessel, F.-Im. Buchholz, R. Dolata, and J. Niemeyer, „Bit error rate experiment in ring-shaped RSFQ circuits," Appl Superconduct. 6 Nos 10-12, pp. 719-725, 1998.

40. M.I. Khabipov, B.V. Balashov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer „RSFQ circuitry realized in a SINIS technology process," IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, pp. 46824687, 1999.

41. M. Khapaev:LL: http://cmc.cs.msu.su/dep/vm/sort/vmhap

42. A.W. Kleinsasser, W.H. Mallison, and R.E. Miller, „Effect of growth conditions on the electrical properties of Nb/AL-Oxide/Nb tunnel junctions," IEEE Trans. Appl. Supercond. 5 (2), pp. 2330-2333, 1995.

43. J. Kohlmann, H. Schulze, R. Behr, F. Müller, and J. Niemeyer, „10 V SINIS Josephson Junction Series Arrays for Programmable Voltage Standards," IEEE Trans. Inst. Meas. 30 (2), pp. 192-194,2001.

44. V.P. Koshelets and S.V. Shitov, „Integrated superconducting receivers, " Topical Review, Supercond. Sei. Technol. 13, pp. R53-R69,2000.

45. M.Y. Kupriyanov and V.F. Lukichev, „Influence of boundary transparency on the critical current of „dirty" SS'S structures," Sov. Phys. JETP 61 (6), pp. 1163-1168, 1988.

46. M. Yu. Kupriyanov, A. Brinkman, A.A. Golubov, M. Siegel, and H. Rogalla, „Double-barrier Josephson structures as the novel elements for superconducting large-scale integrated circuits," Physica C 326-327, pp. 16-45,1999.

47. K.K. Likharev, „Superconducting weak links," Rev. Mod. Phys. 51, pp. 101-159, 1979.

48. K.K. Likharev and B.T. Ulrich, „Systems with Josephson contacts," Published by Moscow State university, 1978.

49. K.K. Likharev, „Dynamics of Josephson Junctions and Circuits," Gordon and Breach Science Publishers, 1986.

50. K.K. Likharev and V. Semenov, „RSFQ logic/memory family: a new Josephson junction technology for sub-terahertz clock frequency digital systems," IEEE Trans. Appl. Supercond. 1, pp. 3-28, 1991.

51. K.K. Likharev, „Ultrafast superconductor Digital Electronics: RSFQ Technology Roadmap," Intl. Conf. on Low Temp. Phys. LT21, Prag, 1996; and: K.K. Likharev, „Recent Progrès and Prospects of Superconductor Digital Technology", FED Report, 1997.

52. V. Lacquaniti, S. Gonzini, S. Maggi, E. Monticone, R. Steni, and D. Andreone ,,Nb-based SNS junctions with Al and TaOx barriers for a programmable Josephson voltage standard," IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (2), pp. 4245-4558,1999.

53. R. Lochschmied and W. Jutz, „A low power shift register," in EXT. Abst. 1993 Int. Supercond. Conf. ISEC'93, Boulder, CO, 1993.

54. M. Maezawa and A. Shoji, „Overdamped Josephson junctions with Nb/AlOx/Al/AlOx/Nb structure for integrated circuit application," zip;?/. Phys. Lett. 70 (26), pp. 3603-3605, 1997.

55. M.A. McCord and M.J.Rooks, in „Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication, " Vol. I, Ed. P.Rai-Choudhury (SPIE Press, Bellingham, U.S.A.)

56. D.E. McCumber, „Effect of AC impedance on DC voltage current characteristics of superconductor weak link junctions," J. Appl. Phys. 39, pp. 3113-3118, 1968.

57. R.W. Moseley, A.J. Bennett, W.E. Booij, E.J. Tarte, and M.G. Blamire, „Fabrication of Josephson superconductor-normal metal-superconductor series arrays using a focused ion beam," Supercond. Sei. Tech., 12 (11), pp. 871-873, 1999.

58. F. Müller, R. Behr, J. Kohlmann, R. Pöpel, J. Niemeyer, G. Wende, L. Fritzsch, F. Thrum, H.-G. Meyer, and I.Y. Krasnopolin, „Optimized 10-V Josephson Series Arrays: Fabrication and Properties," Proc. ISEC'97, Extended Abstracts 1, pp. 95-97,1997a.

59. F. Müller, R. Pöpel, J Kohlmann, J. Niemeyer, W. Meier, T. Weimann, L. Grimm, F.-W. Dünschede, and P. Gutmann, „Optimized IV and 10 V Josephson Series Arrays," IEEE Trans. Instr. Meas. 46 (2), pp. 229-232, 1997b.

60. F. Müller, H. Schulze, R. Behr, J. Kohlmann, and J. Niemeyer, „The Nb-Al technology at PTB a common base for different types of Josephson voltage standards," Physica C 354, pp. 66-70, 2001.

61. O.A. Mukanov and V.K. Semenov, „A Novel Way of Digital Information Processing in the Josephson Circuit, "preprint, Dept. Phys., Moscow State University, 9, 1985.

62. O A. Mukhanov, „Rapid single flux quantum (RSFQ) shift register family," IEEE Trans. Appl. Superconduct. 3 (1), 2578-2581, 1993.

63. Neil H.E. Weste and Kamran Eshragian, „Priciples of CMOS VLSI Design/Addison," Wesley Publishing company, 1985.

64. P. Nevirkovets, J.B. Ketterson, and S. Lomatch, „Anomalous critical current in double-barrier Nb/Al-AlOx-Al-AlOx-Nb devices," Appl. Phys. Lett. 74, pp. 1624-1626,1999.

65. P. Nevirkovets, J.B. Ketterson, and J.M. Rowell, „Modified superconductor-insulator-normal metal-insulator-superconductor Josephson junctions with high critical parameters," J. Appl. Phys. 89 (7), pp.3980-3985,2001.

66. J. Niemeyer, „Josephson Voltage Standard," Encyclopedia of Materials: Science and Technology, ISBN 0-08-043152-6, pp. 4351-4356,2001.

67. J. Niemeyer, „SINIS junction technology for complex superconducting circuits," Physica C 372-376, pp. 291 -296, 2002.

68. V. Patel and J.E. Lukens, „Self-shunted Nb/AlOx/Nb Josephson junctions," IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (2), pp. 3247-3250,1999.

69. R. Pöpel, D. Hagedorn, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, „SNS ramp-type Josephson junctions for highly integrated superconducting circuit applications," Inst. Phys. Conf. Ser. No. 167, pp. 277-280,2000a.

70. S.V. Polonsky V. K. Semenov, P.I. Bunyk, A.F. Kirichenko, A.Yu. Kidiyarova-Shevchenko, O.A. Mukhanov, P.N. Shevchenko, D.F. Schneider, D.Yu. Zinoviev, and K.K. Likharev, „New RSFQ circuits, " IEEE Trans. Appl. Superconduct. 3 pp. 2566-2577, 1993.

71. H. Sachse, R. Pöpel, T. Weimann, F. Müller, G. Hein, and J. Niemeyer, „Properties of PdAu Barriers of SNS Junctions for Programmable Voltage Standards," J IOP Publ. Ltd: Bristol Inst. Phys. Conf. Ser. 158, pp. 555-558,1997

72. SCENET Roadmap for Superconductor Digital Electronics," Version 2.2, 2001, http://orchidea.maspec.bo.cnr.it/workinggroups/RSFQroadmapfinal.pdf (will be published on Physica C)

73. H. Schulze, F. Müller, R. Behr, J. Kohlmann, J. Niemeyer, and D. Balashov, „SINIS Josephson Junctions for Programmable Josephson Standard Circuits, " IEEE Trans. Appl Supercond. 9, pp. 9241-9243,1998a.

74. H. Schulze, R. Behr, F. Müller, and J. Niemeyer, „Nb/Al/AlOx/Al/AlOx/Al/Nb Josephson junctions for programmable voltage standards," .kp/?/. Phys. Lett. 73, pp. 996-998, 1998b.

75. SEMATECH, „International Technology Roadmap for Semiconductors," http://www.sematech.org/public/index.htm, 2001

76. V.Shatemik, M. Belogolovskii, A. Plecenik, S. Benacka, M. Grajcar, and E. Rudenko, .Asymmetric double-barrier S-I1-N-I2-S Josephson heterojunctions: experiment and theory," Physica C 350, pp. 187-1902,2001.

77. W.C. Stewart, „Current-voltage characteristixs of Josephson junctions," Appl. Phys. Lett. 12, pp. 277-280, 1968.

78. H. Sugiyama, A. Yanada, M. Ota, A. Fujimaki, and H. Hayakawa, „Characteristics of Nb/Al/AlO^/Al/AlO^/Nb junctions based on the proximity effect," Jpn. J. Appl. Phys. 36, pp. L1157-L1160,1997.

79. M. Tinkham, „Introduction to Superconductivity," McGraw-Hill, Inc. ISBN 0-07-064878-6, 1996.

80. K.D. Usadel, „Generalized diffusion equation for superconducting alloys," Phys. Rev. Lett. 25 (8), pp. 507-509, 1970.

81. T. Van Duzer and C. Turner, „Principles of Superconductive Devices and Circuits," Second Edition, Prentice Hall PTR, ISBN 0-13-262742-6, 1998.

82. A.F. Volkov, A.V. Zaitsev, and T.M. Klapwijk, „Proximity effect under nonequilibriun conditions in double-barrier superconducting junctions," Physica C 210, pp. 21-34, 1993.

83. A.V. Zaitsev and G.A. Ovsyannikov, Proc. ISEC Conf., Japan, 150,1989.

84. A.V. Zaitsev, „Properties of "dirty" S-S*-N and S-S*-S structures with potential barriers at the metal boundaries," JETP Lett. 51 (1), pp. 41-46, 1990.

85. A.V. Zaitsev, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 51, p.35, 1990.

86. A.V. Zaitsev, „On the theory of superconducting structures S-S'-S and S-S'-N with potential barriers at the metal interfaces," Physica C185-189, pp. 2539-2540, 1991.

87. H.H. Zappe, „Minimum current and related topics in Josephson tunnel junction devices," J. Appl. Phys., 44, p. 1371, 1973.

88. A. Zehnder, Ph. Lerch, S.P. Zhao, Th. Nussbaumer, and E.C. Kirk, „Proximity effects in Nb/Al-AlOj-Al/Nb superconducting tunneling junctions," Phys. Rev. B 59 (13), pp. 88758886, 1999.

89. H.J. van der Zant, R.A.M. Receveur, T.P. Orlando, and A.W. Kleinsasser, „One-dimentional parallel Josephson-junction arrays as a tool for diagnostic," Appl. Phys. Lett. 65, pp. 21022104, 1994.

90. Публикации в международных журналах

91. R. Dolata and D. Balashov,

92. Platinum thin film resistors with Cr under- and overlayers for Nb/A1203/Nb technology, PhysicaC 295, pp. 247-250, 1998.

93. D. Balashov, M.I. Khabipov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer, SINIS fabrication process for realizing integrated circuits in RSFQ impulse logic, Supercond. Sei. Technol 12, pp. 864-867, 1999.

94. H. Schulze, F. Müller, R. Behr, J. Kohlmann, J. Niemeyer, and D. Balashov, SINIS Josephson junctions for programmable Josephson voltage standard circuits, IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, pp. 4241-4244,1999.

95. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer,

96. RSFQ Circuitry Realized in a SINIS Technology Process,

97. EE Appl Supercond. 9, No. 4, pp. 4682-4687, December, 1999.

98. D. Balashov, F.-Im. Buchholz, H. Schulze, M.I. Khabipov, R. Dolata, M.Yu. Kupriyanov, and J. Niemeyer,

99. Stationary properties of SINIS double-barrier Josephson junctions, Supercond. Sei. Technol 13, pp. 244-250,2000.

100. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pöpel, J. Niemeyer,

101. Development of highly integrated SDE circuit applications,

102. Progress Report on Electrical Metrology at the PTB between 1997 and 2000 on the Occasion of the 22nd Meeting of the CCEM, CCEM/00-8, Sect. 1. "Electrical Quantum Standards", part 1.2., pp. 5-7,2000.

103. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pöpel, and J. Niemeyer,

104. Development of Highly Integrated RSFQ Circuits on the Basis of Intrinsically Shunted1. Josephson Junctions,

105. Physica C 350, p. 291-301,2001.

106. D. Balashov, M. Khabipov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer,

107. SINIS process development for integrated circuits with characteristic voltages exceeding 250 nV,

108. EE Trans. Appl Supercond, 11, No. 1, pp. 1070-1073, 2001.

109. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, High-frequency performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, No. 1, pp. 1074-1077, 2001.

110. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pöpel, and J. Niemeyer

111. Development of Highly Integrated RSFQ Circuits on the Basis of Intrinsically Shunted1. Josephson Junctions,

112. Physica C350, pp. 291-301,2001.

113. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, High-frequency performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, No. 1, pp. 1074-1077,2001.

114. J. Kohlmann, R. Behr, M. Khabipov, H. Schulze, D. Balashov, F. Müller, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer,

115. Entwicklung von integrierten Schaltungen und Messsystemen fur das Quantenvoltmeter, Supraleitung und Tieftemperaturtechnik 2000, VDI-Verlag, Düsseldorf, pp. 223-226, 2001.

116. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer.

117. Bit error rate experiments with RSFQ circuits realised in SINIS technology

118. Physica C 372-376, pp. 136-138,2002.

119. Доклады на международных конференциях

120. H. Schulze, F. Miiller, D. Balashov, R. Behr, J. Kohlmann, and J.Niemeyer, M.Y. Kupriyanov,

121. SINIS Josephson junctions as a base element for programmable Josephson voltage standards and other application,

122. XI Trilateral German/Russian/Ukraine Seminar on High-Temperature-Superconductivity, PB5, p. 77,27 September- 1 October, 1998.

123. D. Balashov, M.I. Khabipov, F.-Im. Buchholz, R. Dolata, and J. Niemeyer

124. SINIS Process Development for Realizing Integrated Circuitry in RSFQ Impulse Logic

125. Kryoelektronische Bauelemente 1999, Koln, 03.-05.10.1999.

126. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Popel, and J. Niemeyer

127. Development of highly integrated RSFQ circuits on the basis of intrinsically shunted Josephson junctions6th Twente Workshop on Superconducting Electronics, University of Twente, NL, 16.-19. 04. 2000

128. D. Balashov, M. Khabipov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

129. SINIS process development for integrated circuits with characteristic voltages exceeding 250 }iV

130. Applied Superconductivity Conference 2000, Virginia Beach (USA), 17. 22.09.2000

131. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer High-frequency performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology Applied Superconductivity Conference 2000, Virginia Beach (USA), 17. 22.09.2000

132. D. Balashov, M. Khabipov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

133. Realization of RSFQ circuits in SINIS technology at critical current densities of 800 A/cm2 Kryoelektronische Bauelemente 2000, Pommersfelden, 08. 10.10.2000

134. M. Khabipov, D. Balashov, D. Hagedorn, R. Dolata, F.-Im. Buchholz, J. Niemeyer, and M. Khapaev

135. Experimental determination of inductances of narrow superconducting striplines Kryoelektronische Bauelemente 2000, Pommersfelden, 08. 10.10.2000

136. J. Kohlmann, R. Behr, M. Khabipov, H. Schulze, D. Balachov, F. Müller, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

137. Entwicklung von integrierten Schaltungen und Messsystemen für das Quantenvöltmeter 7 Statusseminar Supraleitung und Tieftemperaturtechnik, Garmisch-Partenkirchen, 14. -15.12.2000

138. M. Khabipov, D. Balashov, R. Behr, F. Müller, J. Kohlmann, H. Schulze, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer SINIS Circuits Results

139. ONR Superconductor Electronics Program Meeting (SEPM Meeting), Sedona, AR, USA, 04. 07.02.2001

140. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

141. Bit error rate experiments with RSFQ circuits realized in SINIS technology5th European Conf. on Applied Superconductivity, Kopenhagen (Dänemark), 26. 30.08.2001

142. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer Operating range of basic RSFQ circuits with low power consumption Kryoelektronische Bauelemente 2001, Rolduc (Niederlande), 30.09-02.10.2001

143. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

144. Development of RSFQ frequency counter modules for programmable Josephson voltage standards

145. Kryoelektronische Bauelemente 2002, Wandlitz, 06.-08.10.2002

146. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору д.ф.-м.н. М.Ю. Куприянову (НИИЯФ МГУ) за. постановку задачи исследования, руководство работой и всестороннюю поддержку при анализе полученных результатов.

147. Автор благодарит Robert Havemann Foundation за частичную поддержку выполненной работы.